国家重大科学研究计划项目构造新型魔幻光阱将单原子量子比特相干时间提高百倍

近日，国家重大科学研究计划项目“囚禁单原子（离子）与光耦合体系量子态的操控”实现了一种新型的魔幻光阱——魔幻光强偶极阱，将囚禁在该微型光阱中的单个中性原子量子比特的相干时间延长上百倍，从毫秒量级提高至百毫秒量级。

囚禁在光阱中的单个中性原子及原子阵列是量子信息处理与量子模拟的物理候选体系之一。中性原子体系与外部环境的耦合较之其它体系（如离子、NV色心、量子点、超导线路等）弱，利于制备大规模单原子阵列。在大规模的中性原子寄存器中实现量子信息处理，关键环节之一就是单量子比特的相干性在阵列的不同格点中转移时能够很好地保持。通常，量子比特是编码在Rb原子的两个超精细能级的钟跃迁态中，超精细能级劈裂导致阱中原子上下能级的光频移不同，产生微分光频移。微分光频移是引发单原子量子比特转移中相干性丢失的主要因素，是通常的动力学退耦的方法难以解决的问题。这一难题限制了大规模中性原子量子信息处理平台的实现与应用。

研究人员利用单原子操控实验平台，在国际上首次测量了基态原子在矢量光场中的超极化率，通过控制矢量激光场和原子间的微弱相互作用，构造了单原子的魔幻光强偶极阱，有效地消除了有害的微分光频移。在该阱中，单量子比特的寿命从几毫秒提高到225毫秒。研究人员成功地利用一个运动的魔幻阱将一个静止量子比特从另一个静止的魔幻阱中提取出来，变成移动比特，转移后送回到原处。通过测量运动量子比特的干涉条纹，发现量子比特的相干性没有因为转移而丢失。这一重要成果在《物理评论快报》（Phys.Rev.Lett.117, 123201, 2016）上发表，为下一步利用囚禁在光偶极阱阵列中的单原子构造可扩展的量子信息处理器奠定了基础。